Главная страница >  Имена 

«Водородный клуб»

Недавние события вокруг продажи Индии российских ракетных технологий позволили высветить положение дел с применением водородного топлива в отечественных ракетных и космических системах. Так почему сейчас единственным нашим носителем, в составе которого используется ступень с кислородно-водородными двигателями, является тяжелая ракета "Энергия"?

«Водородный клуб»

Однако люди, интересующиеся состоянием мирового ракетостроения и космонавтики, не могли при этом не спросить: "Как случилось, что кислородно-водородные ЖРД, широко применяющиеся за рубежом уже почти три десятилетия, в Союзе были впервые установлены на ракете, совершавшей первый старт 15 мая 1987 г.?" Вопрос остался без ответа.

Вспомним, как недавно описывали преимущества универсальной ракетной транспортной космической системы (УРТКС) "Энергия" - "Буран" и журналисты, и официальные представители отечественной космонавтики. Подчеркивалось: при создании комплекса применены самые передовые научно-технические решения, соответствующие мировому уровню. Называлось использование в качестве маршевых высокоэффективных кислородно-водородных жидкостно-ракетных двигателей (ЖРД).

Как горючее в паре с жидким кислородом (ЖК) жидкий водород (ЖВ) был предложен в 1903 г. К. Э. Циолковским. Он писал, что топливная пара ЖК+ЖВ энергетически самая выгодная. Позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезного груза (ПГ) по сравнению с другими видами топлива, не содержащими в качестве компонентов ЖВ. Однако на пути применения водородного топлива стояли объективные трудности. Первая - большая сложность его сжижения (получение 1 кг ЖВ обходится в 20-100 раз дороже 1 кг керосина). Вторая - неудовлетворительные физические параметры - чрезвычайно низкая температура кипения (-243° С) и очень малая плотность (ЖВ в 14 раз легче воды), что отрицательно сказывается на возможности хранения этого компонента.

Попробуем докопаться до истины. Прежде об истории применения жидкого водорода в качестве горючего для ЖРД, о преимуществах и недостатках, присущих этому компоненту.

Скепсис Глушко разделяли и другие ведущие советские специалисты. Их нежелание начать широкие исследования и отсутствие хорошо оснащенной опытной базы привело к тому, что высоко-энергетическое криогенное горючее долгое время оставалось в тени у отечественных двигателистов.

Один из основоположников практического отечественного ракетного двигателестроения В. П. Глушко еще на заре своей деятельности в этой области достаточно скептически относился к возможности использования ЖВ в качестве горючего для ЖРД даже в далеком будущем. Он ссылался при этом прежде всего на его малую плотность (топливная пара ЖК+ЖВ в 3,5 раза легче топлива ЖК+керосин), требующую больших и тяжелых баков для размещения горючего на ракете. Трудно иметь дело с водородным топливом из-за его низкой температуры хранения и большой взрывоопасности. Зато долгохранимые компоненты (углеводороды, амины, синтетическое горючее и т. п.), не требуют при эксплуатации специальных мер по защите от выкипания. Глушко видел перспективы применения в ракетно-космической технике топлив, имеющих гораздо более низкие по сравнению с водородом энергетические, но более высокие эксплуатационные характеристики - большую плотность и высокую температуру кипения. В расчете на такие топлива он и пытался развивать основные направления в разработке ЖРД в СССР. Зачастую вступал в разногласие с другими ведущими специалистами отечественного ракетостроения, в том числе их С.П. Королевым. Тот признавал трудности в создании кислородно-водородных ракет, но видел их большие преимущества в будущем.

Одним из топлив стало кислородно-водородное. Эксперименты с ним велись в США со второй половины 1940-х годов. Первый опытный ЖРД испытан в 1949-м. Примерно до середины 1950-х исследования не выходили из рамок НИОКР. Затем для повышения удельного импульса ЖРД (основной энергетический показатель перспективных, в том числе и космических, систем) работы набрали темп. Интерес к ЖВ стал очевидным не только в ракетостроении, но и в авиации, атомной промышленности.

Что за рубежом? Из-за различия в подходах к разработке ЖРД специалисты до начала 1950-х годов не смогли определиться, какие же основные требования следует предъявлять к ракетному топливу? Потому с середины . 1940-х исследования различных ракетных топлив (главным образом в США) велись широко. Ни одной из рассматриваемых топливных пар не отдавалось предпочтение. Предполагалось, что в будущем большинство из них сможет найти свою область применения.

Примерно тогда же руководство по всем направлениям ракетостроения и космонавтики было сосредоточено в Национальном управлении по аэронавтике и космическим исследованиям (НА-СА). Правительственную поддержку получили исследования водородных двигателей.

В 1958-м под эгидой управления перспективных исследований АРПА министерства обороны США были предложены первые достаточно реальные проекты ракет с водородными двигателями. В октябре того же года начались разработки, а в июле 1959-го состоялись первые наземные испытания стендового образца кислородно-водородного ЖРД. Он и стал прототипом двигателей перспективных ракетно-космических систем.

В ноябре 1963-го стартовала РН "Атлас-Центавр", первая в мире действующая ракета с кислородно-водородной верхней ступенью. Потом различные модификации ступени "Центавра" за-действовались во многих космических программах США, использовались более 60 раз. Они показали высокие характеристики ракеты и ЖРД, их большую надежность.

В 1959 г. НАСА выдало фирме Конвэр крупный заказ на проектирование кислородно-водородного блока "Центавр". Он мог в будущем использоваться в качестве верхних ступеней таких РН, как "Атлас", "Титан" и вновь разрабатываемой тяжелой ракеты "Сатурн". ЖРД для блока "Центавр" создавала фирма Пратт энд Уитни .

Летным испытаниям и эксплуатации предшествовал огромный объем наземных стендовых испытаний одиночных ЖРД и двигателей в составе ступеней РН "Сатурн". Когда в 1985 г. закончилась программа "Сатурн-Аполлон", носители этого семейства применения не получили.

Параллельно с началом летных испытаний РН "Атлас-Центавр" в период подготовки и осуществления национальной программы высадки человека на Луну "Аполлон" фирма Рокетдайн создала гораздо более мощный кислородно-водородный двигатель. С февраля 1966-го он применялся на верхних ступенях РН семейства "Сатурн".

Правда, еще в первой половине 1960-х годов фирмы Аэроджет и Пратт энд Уитни предлагали проекты более мощных и эффективных водородных двигателей. Но они не были реализованы главным образом из-за свертывания программы разработок в рамках проекта "Сатурн-Аполлон".

С 1972 г. в рамках программы разработки многоразовой транспортной системы фирма Рокетдайн, опираясь на опыт отработки двигателей для носителей семейства "Сатурн", приступила к созданию мощного многоразового кислородно-водородного ЖРД эффективной замкнутой схемы с очень высокими параметрами. С апреля 1981-го он используется в качестве маршевого для орбитального самолета системы "Спейс Шаттл". До 1987 г. был самым мощным и экономичным кислородно-водородным ЖРД в мире.

Вслед за американским НАСА в составе своих РН кислородно-водородные верхние ступени использовало Европейское космическое агентство (ЕСА). В декабре 1979-го начались летные испытания европейской РН "Ариан" с криогенной третьей ступенью. Двигатель для нее разрабатывался французской фирмой СЕП и западногерманской МВБ. Этот небольшой достаточно простой по конструкции ЖРД открытой схемы имеет средние показатели удельного импульса. С некоторыми усовершенствованиями он до сих пор применяется на третьих ступенях РН семейства "Ариан". В рамках программы создания новой тяжелой РН "Ариан-5" Франция и ФРГ разрабатывают мощный кислородно-водородный двигатель. По характеристикам и схеме он близок к ЖРД фирмы Рокетдайн, стоявшему на верхних ступенях РН семейства "Сатурн".

Кроме двигателя для системы "Спейс Шаттл", фирма Рокет-дайн с конца 1970-х проводит разработку и стендовые испытания перспективного космического водородного ЖРД с очень высокими значениями удельного импульса. Применение планируется в будущих межорбитальных буксирах для перевода ПГ с низкой околоземной на геостационарную орбиту и сообщения аппаратам скорости большей, чем вторая космическая.

В августе 1986-го Япония стала четвертой "водородной" страной. РН "Эйч-1", строившаяся в Японии по лицензии США, имела только одну ступень собственного производства' - вторую. Именно на ней и был установлен кислородно-водородный двигатель. Его характеристики приближаются к ЖРД третьей ступени РН "Ариан" и блока "Центавр", но несколько превосходят китайский двигатель третьей ступени РН "Чан Чжен-3".

Следующей по счету страной, вступившей в своеобразный "водородный клуб", стала... нет, не наша страна, а Китайская Народная Республика. Она осуществила запуск РН "Чан Чжен-3" с кислородно-водородной третьей ступенью в январе 1984 г. Появление китайской ракеты с высокоэнергетической ступенью не было неожиданностью. О работах объявлялось заранее вполне официально. Правда, по мнению зарубежных экспертов, научно-технический уровень Китая не позволял самостоятельно создать действующий кислородно-водородный ЖРД. Но факт остается фактом - к началу 1992 г. с помощью РН "Чан Чжен-3", эксплуатирующейся с низким темпом запусков, на геостационарную орбиту выведено около десятка спутников. В иностранной печати есть сообщения о том, что работы по криогенным ЖРД начались в Китае в середине 1970-х при скрытном содействии Франции и ФРГ. Они передали КНР технологию разработки своих экспериментальных двигателей 1970-х годов.

Сейчас все эти работы прекращены. Япония создает собственную мощную трехступенчатую РН "Эйч-2". На второй ее ступени будет установлен мощный кислородно-водородный ЖРД, по тяге и удельному импульсу занимающий промежуточное положение между двигателем Европы для РН "Ариан-5" и маршевым ЖРД фирмы Рокетдайн для системы "Спейс Шаттл". На третью ступень РН "Эйч-2" устанавливается усовершенствованный вариант ЖРД, созданного для второй ступени РН "Эйч-1". Оба двигателя проходят стендовую отработку. Эксплуатация новой ракеты начнется в середине 1990-х годов.

Параллельно со второй ступенью РН "Эйч-1" Национального управления по исследованиям космоса НАСДА для выведения прикладных спутников на геостационарную орбиту в Японии долгое время разрабатывалась криогенная верхняя ступень для твердотопливной РН/Мю3С-Кай-2" Токийского университета ИСАС для запуска научно-исследовательских аппаратов. Кроме того, ряд частных фирм во второй половине 1980-х годов предлагал небольшую криогенную ступень с очень несложным ЖРД для замены твердотопливной третьей ступени РН "Эйч-1". Цель: примерно на 70-80% увеличить массу спутника, выводимого на геостационарную орбиту.

Однако этот довод справедлив лишь для сравнительно небольших ракет. При увеличении размерности преимущества "неводородных" постепенно стираются. С увеличением габаритов и масс системы выигрыш от применения ЖВ становится очевидным. Это в полной мере проявляется в ракетах сверхтяжелой размерности.

В СССР НИОКР по водородному топливу велись все это время, не приводя, однако, к появлению действующей ракетной ступени. Основным доводом отечественных противников применения водорода было то, что выигрыш в массе ПР за счет большого удельного импульса ЖРД сводился фактически на нет огромными габаритами и массой водородного бака.

Отсутствие в СССР реального прогресса в таких отраслях, как криогенная техника, материаловедение и некоторые другие, неуверенность бюджетных монополистов в необходимости создания кислородно-водородных ступеней поначалу приводили к отставанию. Разработка отечественных водородных ЖРД получила существенное ускорение лишь после успеха американской ракеты "Атлас-Центавр". В этот момент сотрудники ОКБ-1, руководимого С.П. Королевым, серьезно взялись за проектирование высокоэнергетической третьей ступени для уже летавшего тогда носителя, получившего потом наименование "Союз".

Кроме того, существует определенная область энергетики космических полетов. В ней отказ от применения криогенного топлива можно объяснить только отсутствием опыта эксплуатации кислородно-водородных ЖРД или другими, не вполне ясными причинами. Это полеты на геостационарную орбиту и к дальним планетам Солнечной системы.

ЖРД для кислородно-водородной ступени начал разрабатываться в двигательном отделе того же ОКБ- Инициатором работ был Мельников. Под его руководством несколько раньше проектировались кислородно-керосиновые двигатели для третьей ступени РН "Восток" и высокоэкономичный ЖРД замкнутой схемы для четвертой ступени РН "Союз" и другие двигатели.

Применив на этой ступени водород вместо штатного керосина, можно было увеличить массу ПР выводимую на низкую околоземную орбиту, более чем на 35-40%. Кроме того, такая ракета могла использоваться для запуска аппаратов на высокоэллиптические и геостационарные орбиты и к планетам. Выигрыш в массе ПР стал бы еще более значителен, нужда в четвертой ступени, которая обычно служила для этих целей в РН "Союз", отпадала.

В первой половине 1960-х годов в СССР началось развертывание широкомасштабной программы высадки человека на Луну Н1-Л В ОКБ-1 разрабатывался трехступенчатый тяжелый носителе с высокоэффективными кислородно-керосиновыми ЖРД да всех ступенях. Главный конструктор новой ракеты Н-1 С.П.Королев е самого начала предусматривал постепенную замену керосина на водород в последующих модификациях РН. Однако широко работы по водородному топливу применительно к Н-1 смогли развернуться значительно позже.

В качестве одной из возможных нагрузок для будущей РН рассматривалась небольшая орбитальная станция. Она создавалась с широким использованием элементов и систем закладывавшегося тогда же корабля "Союз". Но высокоэнергетическая ступень для него не была доведена до стадии летного использования. Сделали лишь наземный стенд для проверки принципов создания кислородно-водородных ЖРД, и ступеней, тренировки наземного персонала в обращении с водородным топливом.

Первый советский кислородно-водородный ЖРД, построенный по совершенной замкнутой схеме, получился очень экономичным и надежным. Он превосходил по своим характеристикам двигатель аналогичного класса тяги, созданный фирмой Пратт-Уитни для ступени "Центавр". Работы в ОКБ Исаева дошли до стадии наземных испытаний ЖРД.

Уже после смерти С.П. Королева для новой, значительно более совершенной программы экспедиции на Луну создавался единый кислородно-водородный блок. Он должен был заменить сразу два кислородно-керосиновых блока стандартного корабля Л-3 для высадки на Луну. Работы по новому блоку были доведены до стадии выпуска проектной документации на летное изделие. Ступень разрабатывалась в ОКБ-1 в отделе, ведущем работы по Н-1, а двигатели для нее в начале 1970-х годов создали в ОКБ А.М. Исаева.

Далее в рамках программы модернизации Н-1 предполагалось заменить кислородно-керосиновую третью ступень этой ракеты на кислородно-водородную, увеличив таким образом массу РП примерно на 20-30%. В качестве нагрузки для этой ракеты фигурировала тяжелая пилотируемая модульная станция МОК - многоцелевой орбитальный комплекс. Криогенные ЖРД для новой ступени разрабатывались в авиадвигателестроительном ОКБ А.П. Люльки. Двигатель в целом был создан, но к моменту принудительного закрытия программы ракеты Н-1 полный объем наземной отработки успели пройти только отдельные его агрегаты. Параллельно с подготовкой к стендовым испытаниям этого ЖРД в ОКБ А.П. Люльки разрабатывался его модифицированный вариант с раздвижным соплом.

20 лет этот двигатель многократно испытывался на стенде при различных режимах работы, подтверждая свои высокие характеристики.

Поняв, что без водорода в космонавтике все-таки не обойтись, начал заниматься им и его ярый противник - Глушко. Для того чтобы избавиться от одного из самых очевидных недостатков водородного топлива - малой плотности, - он предлагал заменить кислород в топливной паре на другие, более плотные окислители, в частности фтор. Таким образом одновременно с увеличением плотности топлива в два раза улучшались и его энергетические показатели.

Начинали заниматься водородом и в ОКБ Н.Д. Кузнецова, отвечавшем за создание керосиновых ЖРД для всех ступеней Н-1, незаслуженно преданных потом забвению. Предполагалось со временем установить такой кислородно-водородный ЖРД на второй ступени Н- В будущем керосиновой должна была остаться только первая ступень этой сверхтяжелой ракеты - остальным и разгонным блокам следовало работать на водородном топливе. Эти мероприятия резко увеличивали и массу ПР, и возможности РН.

В середине 1970-х годов, после закрытия лунной программы, на смену ракете Н-1 пришел проект УРТКС, названный впоследствии "Энергия" - "Буран". Вставший во главе разработчиков системы, Глушко понимал, что, не имея опыта летной эксплуатации, ЖРД целиком на криогенных компонентах многоразовый с необходимыми параметрами создать в требуемые сроки не удастся. Однако в предлагаемой концепции УРТКС нужды в нем не было.

Проектируемый в ОКБ Глушко фторо-водородный двигатель предполагалось установить на одной из модификаций РН "Протон". Однако из-за многих (в том числе и экологических) причин работы не вышли из стадии НИОКР.

Для одного из ранних вариантов УРТКС Глушко предполагал разработать высокоэнергетическую верхнюю ступень с двигателями сравнительно небольшой тяги, но высокого удельного импульса. Однако из-за того что работы были сосредоточены главным образом на создании двухступенчатой системы типа "Энергия", разработка подобного двигателя была остановлена. Сейчас в качестве высокоэнергетической верхней ступени для УРТКС "Энергия" предполагается использовать криогенный разгонный блок с двигателями - вариантом ЖРД разработки ОКБ А.М. Исаева.

Разработку маршевого двигателя, по характеристикам близкого к ЖРД системы "Спейс Шаттл", поручили воронежскому КБ "Химавтоматика", ранее известному как ОКБ С.А. Косберга. Его там и построили. Он прошел наземную отработку, испытан в двух полетах УРТКС.


В рамках программы повышения энергетических возможностей РН "Протон" КБ "Салют" создает криогенную верхнюю ступень, позволяющую примерно вдвое увеличить массу ПР, выводимого на геостационарную орбиту. В качестве двигателя для этой ступени возможно будет использован все тот же "исаевский" ЖРД. Летные испытания нового варианта РН "Протон" с водородной четвертой ступенью при соответствующих ассигнованиях могут начаться уже в середине 1990-х годов. Афанасьев И. Крылья Родины, 1992, №№ 11, 1 Размещено с разрешения автора. Компьютерная обработка AVV. Последнее обновление: 13.04.2004





Далее:
Космический «лапоток».
Алексей Сергеевич Бородай.
Charles Eldon Brady, Jr.
Randolph J. Bresnik.
Sergey Mikhailovich Brin.
Brown Mark Neil.


Главная страница >  Имена